Kui keegi räägiks Teile õhinaga, et liivast ehk ränidioksiidist on võimalik valmistada elastseid pehmendusmaterjale, siis peaksite teda ilmselt soovmõtlejaks. Ometi saadakse just liivast kui toorainest lähteaineid, millest omakorda valmivad erinevad polüsiloksaanid ehk rahvakeeli silikoonid. 

Soovitud omaduste saavutamiseks on keemiliselt muundatud silikoonidest võimalik valmistada elastseid materjale: näiteks vannitoa hermeetikuid, meditsiiniseadmeid või keskkonnasõbralikke ja turvalisemaid istmeid transpordisektorile. 

Kõik plastid pole võrdsed

Keskkonnateadlikkuse kasvades on eriti oluline jälgida, milline on kasutatavate pehmendusmaterjalide vastupidavus ja kasutajasõbralikkus. Eelkõige loeb selle tootmisest ja tarbimisest tingitud keskkonnajalajälg. Praegu enimlevinud polüuretaanipõhised polstermaterjalid, rahva seas tuntud kui kollased PUR-madratsid, on kergesti süttivad ning nende edasisel põlemisel tekib eluohtlikke gaase. 

Kuna üldiselt on polüuretaanid tundlikud UV-kiirguse ja temperatuurimuutuste suhtes, on ka nende eluiga võrdlemisi lühike. Vastukaaluna on polüsiloksaanid nii keemiliselt kui ka füüsikaliselt vastupidavamad. Seega on need keskkonnasõbralikumad materjalid, kui praegu negatiivse tähelepanu all olevad mikroosakesteks lagunevad plastid. 

Kuigi silikoonid on sünteetilised polümeerid, suudavad looduses esinevad mikroorganismid neid tõhusalt lagundada. Hiljutine prantsuse ettevõtte Elkem ASA teadlaste avastus ja piloottehase käivitamine 2024. aastal näitas, et ka silikoonelastomeere on võimalik lagundada lähteaineteks ning neid saab viia taas ringlusesse.

Tegelikult on omavahel ristsidumata silikoonpolümeerid juba laialdaselt kasutusel näiteks toidutööstuses. Seal on nende eesmärk vähendada töötlemisel tekkivat vahtu (näiteks rapsiõli ja õlu), samuti ka kosmeetikatoodetes. Kui taoliste polümeerahelate vahele tekitada ristsidemed ehk need siduda omavahel võrgustikuks, saame luua vastupidavaid elastomeerseid materjale. Neid saab kasutada nii kõrgetel kui ka madalatel temperatuuridel. 

Sellised materjalid muutuvad eriti väärtuslikuks, kui nende tihedus viia võimalikult madalaks. See tähendab, et need paisutatakse poorseteks elastomeerseteks vahtudeks, mille põhiosa moodustab materjali ümbritsev õhk. Lennunduses ja rongitööstuses hinnatakse just madalat (näiv-)tihedust, tulekindlust ja vastupidavust. Seal on iga kilogramm sõiduki sisustusest arvel ning materjalide tuleohutusnäitajad peavad karmistunud ohutusnõuetest ajast ees käima.

Samm puhtama lennukiistme suunas

Tartu Ülikooli tehnoloogiainstituudis doktorantuuri jooksul kasutasin vahu keemiliseks paisutamiseks vett ning selle segusid erinevate alkoholidega. Nii sünteesisin väga madala tiheduse (≤100 kg/m³) ja just avatud poorsusega vahtmaterjali. 

Tööstuses tihti kõrvalsaadustena tekkinud alkoholide kasutamine oli teadlik valik. Nii sain vältida praeguseks suurel määral keelustatud kergesti lenduvaid aineid, mida on kasutatud vahtmaterjalide tootmiseks aastakümneid. Samaaegse ristsidumise ja gaasieraldumise protsessi käigus eraldub puhas vesinik, mille kogumine võiks end ära tasuda näiteks suuremahulises tootmises.

Pehmendusmaterjalid on enamasti lähedases kontaktis inimtegevusega, saastudes tihti toidu ja erinevate kehavedelikega. Selliste elastsete materjalide kasutamise käigus liiguvad mikroorganismide paljunemiseks sobivad toitained materjali poorides edasi ning raskendavad nende tõhusat eemaldamist materjali pinnalt. Seetõttu jäljendasin vahtude nakatumist kolibakteriga. Soovisin niimoodi paremini mõista, millised jätkusuutlikud lisandid soodustavad või hoopis pidurdavad bakterite kasvu nii vahu pinnal kui ka selle poorides. 

Silikooni polümeerahelad on väga liikuvad ning katavad erinevaid pindu. Sestap tekib vahu paisumise ja tahenemise ajal ka lisandiosakestele elastomeerikiht, mis vähendab nende osakeste mõju. Minu uurimusest selgus, et poorse olemusega elastomeerikihist väljalahustuvad antibakteriaalsed lisandid on tõhusamad ning pakuvad bakterite paljunemise vastu tõhusat kaitset. 

Samuti leidsin, et mõned lisandid soodustavad mikroorganismide kinnitumist ja kasvu – see aga ei ole soovitud istmepolsterduse omadus. Samas võib bakterite kinnitumise soodustamine olla eelis bakterikultuuride teadlikul kasvatamisel, näiteks toiduainetööstuses või reovee puhastamisel.

Koostöös Tartu Ülikooli tehnoloogiainstituudi rakendusliku materjaliteaduse töörühma ja Võru ettevõttega Estelaxe OÜ arenes alternatiivse materjali arendamisest välja mitmeid võimalikke uurimissuundi, mida doktoritöö raames põhjalikumalt uurisime. 

Peamiseks uurimissuunaks võtsime elastomeersete silikoonvahtude pooltööstusliku ja keskkonnasäästlikuma valmistamise. Keskendusime sellele, kuidas väga madala tiheduse juures hoida ühtlast pooristruktuuri ning seejuures suurendada materjali vastupidavust pidevale koormusele. 

Uued keskkonnasõbralikud elastomeersed silikoonvahud võivad parandada rongides ja lennukites kasutatavate materjalide kvaliteeti. Need ei paku mitte ainult paremat kaitset ja mugavust, vaid ka suuremat vastupidavust ja ohutust.

Ingrid Rebane kaitses doktoritöö "Structure-property relationships of moldable silicone foams" ("Vormitava silikoonvahu struktuur-omadussõltuvuste kirjeldamine") 20. novembril Tartu Ülikoolis. Tööd juhendasid professor Tarmo Tamm ja kaasprofessor Uno Mäeorg Tartu Ülikoolist. Oponeeris professor Anne Ladegaard Skov Taani Tehnikaülikoolist.